CN108663928A - 一种基于模糊pid的智能温室控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID的智能温室控制系统，包括上位机模块和下位机模块两部分。下位机由主控制器模块、传感器模块、各执行机构模块、无线通信模块构成，主控制器模块(从机)监测温室内各个测量节点的植物生长因子，通过无线传输部分把采集的数据传送给主机，主机与上位机通过RS‑485总线相连接；上位机由智能控制模块和监控模块构成，对主机发送的数据进行模糊PID处理，驱动相应设备对温室环境进行适当调节实现远程控制。本发明控制平稳、抗干扰能力和适用性良好，达到了对温室环境进行实时远程智能监控的目的，符合智能温室的控制要求。
Description
技术领域
本发明属于远程控制系统技术领域，涉及温室大棚的环境因子控制，具体涉及到一种基于模糊PID的智能温室控制系统。
背景技术
21世纪是设施农业迅速发展的时期。随着农业经济和科技的不断发展，温室生产作为农作物种植技术，突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制，已经成为世界农业生产的发展趋势。温室的生态环境是温室农作物赖以生存的环境，及时掌握温室环境中空气的温度与湿度、土壤温度与湿度、光照强度、二氧化碳浓度等生态环境信息，引导用户根据作物生长的要求对环境参数进行适当调节，对促进温室生产有重要作用。
传统温室监控大都是单点测量，信息传递不及时，精度达不到要求，成本较高，移动性差，安装维护困难，不利于农业控制者根据环境参数变化及时做出决定。
此外，温室控制是一个复杂的大系统，具有强非线性、大时滞、时变、分布参数、多变量间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂等特点，难以建立精确的数学模型。
发明内容
本发明的目的是克服目前温室控制系统运行中存在的上述问题，提供一种控制平稳、适用性良好、上位机界面简单、人机交互方便的基于模糊PID的智能温室控制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：包括上位机模块和下位机模块，下位机由主控制器模块、传感器模块、各执行机构模块、无线通信模块构成；上位机由智能控制模块和监控模块构成；所述传感器模块、各执行机构模块与主控制器模块(从机)连接；所述主控制器模块(从机)通过无线通信模块与主控制器模块(主机)连接；所述主控制器模块(主机)通过RS-485总线技术与上位机模块(PC)连接；所述智能控制模块通过模糊PID控制技术将输入变量模糊化，并将推理后的模糊量转换为精确量输出，将精确量作为温室的控制量通过RS-485输出到执行机构模块；所述监控模块可以实现系统设置、数据采集与显示、历史数据查询与输出、趋势曲线、设备状态与报警和远程控制。
进一步地，所述主控制器(主、从机)采用AT89C51单片机；所述无线传感网络采用ZigBee网络CC2530射频模块。
进一步地，所述的传感器包括空气温度与湿度传感器、土壤温度与湿度传感器，光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器；
进一步地，所述的空气温度与湿度传感器采用数字温湿度复合传感器DHT11，用于测量大棚温室里的温度、湿度。
进一步地，所述的土壤温度与湿度传感器分别采用DS18B20和HS1101电容式湿度传感器，用于测量大棚温室里的土壤温度与湿度。
进一步地，所述的光照强度传感器采用TSL235光频转换器,用于测量大棚温室里的光照强度。
进一步地，所述的二氧化碳浓度传感器采用NDIR技术二氧化碳传感器模块S-100，用于实时监测大棚温室里的二氧化碳浓度。
进一步地，所述的执行机构模块包括通风机、加热器、电动机开窗、喷淋水泵、光照调节、二氧化碳施放机构等模块；
进一步地，所述智能控制模块的输入量为当前系统误差e和误差变化率ec，经过模糊PID控制器的处理得到相应的三个输出变量为PID控制器的三个参数P、I、D的修正ΔKp、ΔKi、ΔKd，模糊推理与解模糊化单元将模糊量转换为精确量，该精确量为各执行机构的控制信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：本发明提供的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，能够将温室中的环境信息通过传感器、无线网络和RS-485总线技术传输给上位机实现自动监测，上位机根据设备预设信息和模糊PID技术进行智能化远程调控温室环境。该系统具有较强的鲁棒性和适应性能力、组网灵活、可扩展性强、人机界面友好，可实现对温室环境参数的智能化管理，减少了相关的人力资源，节约了成本投入，提高了温室植物的质量和产量，能较好地满足温室环境监测的系统设计和实际应用需求。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1是本发明具体实施方式的系统总体结构框图。
图2是本发明具体实施方式的系统控制流程图。
图3是本发明具体实施方式的下位机自动控制程序流程图。
图4是本发明具体实施方式的系统部分电路图。
图5是本发明具体实施方式的上位机监控软件功能模块图。
图6是本发明具体实施方式的模糊PID控制系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包括上位机模块和下位机模块，下位机由主控制器模块、传感器模块、各执行机构模块、无线通信模块构成；上位机由智能控制模块和监控模块构成；所述传感器模块、各执行机构模块与主控制器模块(从机)连接；所述主控制器模块(从机)通过无线通信模块与主控制器模块(主机)连接；所述主控制器模块(主机)通过RS-485总线技术与上位机模块(PC)连接；所述智能控制模块通过模糊PID控制技术将输入变量模糊化，并将推理后的模糊量转换为精确量输出，将精确量作为温室的控制量通过RS-485输出到执行机构模块；所述监控模块可以实现系统设置、数据采集与显示、历史数据查询与输出、趋势曲线、设备状态与报警和远程控制。
进一步地，所述主控制器(主、从机)采用AT89C51单片机；所述无线传感网络采用ZigBee网络CC2530射频模块。
进一步地，所述的传感器包括空气温度与湿度传感器、土壤温度与湿度传感器，光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器；
进一步地，所述的空气温度与湿度传感器采用数字温湿度复合传感器DHT11，用于测量大棚温室里的温度、湿度。
进一步地，所述的土壤温度与湿度传感器分别采用DS18B20和HS1101电容式湿度传感器，用于测量大棚温室里的土壤温度与湿度。
进一步地，所述的光照强度传感器采用TSL235光频转换器,用于测量大棚温室里的光照强度。
进一步地，所述的二氧化碳浓度传感器采用NDIR技术二氧化碳传感器模块S-100，用于实时监测大棚温室里的二氧化碳浓度。
进一步地，所述的执行机构模块包括通风机、加热器、电动机开窗、喷淋水泵、光照调节、二氧化碳施放机构等模块；
进一步地，所述智能控制模块的输入量为当前系统误差e和误差变化率ec，经过模糊PID控制器的处理得到相应的三个输出变量为PID控制器的三个参数P、I、D的修正ΔKp、ΔKi、ΔKd，模糊推理与解模糊化单元将模糊量转换为精确量，该精确量为各执行机构的控制信号。
如图2所示，本发明智能温室的控制系统主要由现场手动控制、远程手动控制和自动控制三部分组成，可通过按键进行切换。单片机控制系统在开始阶段，首先进行温室参数数据的初始化，将各环境因子的阈值写入寄存器，同时完成温室现场环境因子的采集。当温室控制系统处于现场手动控制时，根据现场需要可以任意的调控各执行机构运行；当系统处于远程控制时，其控制原理与现场手动控制一致，主要区别是控制端在上位机；当系统处于单片机自动控制时，系统将预先设定的环境因子参数值与当前值不断地进行比较，并将比较结果通过单片机输出来控制执行机构动作，以达到调节温室环境的作用。手动控制主要是用在自动控制不能调节和用户有特殊需求的情况下；自动控制采用模糊PID控制，在上位机实现模糊算法。
如图3所示，本发明智能温室控制系统的工作流程为：系统运行后，由上位机周期性的发送数采指令，从机接收到采集数据的命令后控制传感器获取温室中的空气温度与湿度、土壤温度与湿度，光照强度、二氧化碳浓度环境因子，完成后通过ZigBee无线网络传送至主机，主机对数据进行简单处理，再经RS-485传输至上位机，数据到达上位机后存储到本地数据库并显示于面板上。如图5所示，上位机系统软件由两个主模块和六个功能单元组成，主模块包括登录模块和功能单元选择模块。登录模块完成用户身份的鉴别工作；功能单元选择模块包括六个功能单元，分别为系统设置、数据采集与显示、历史数据查询与输出、趋势曲线、设备状态与报警和远程控制，实现不同的功能要求。上位机智能控制模块对主机发送的数据进行模糊PID处理，监控模块观察各个设备的运行状态，当发生温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等相关环境因子低于或者高于设定值时及时提醒用户进行干预，使其回到正常值范围内，保证温室系统的正常运行，此外空气温度与湿度、土壤温度与湿度，光照强度、二氧化碳浓度以及各执行机构的开关情况都将显示在上位机屏幕上，并且可以对不同大棚内的环境因子进行不同的设定，使温室环境达到最佳状态。
如图4所示，AT89C51单片机为系统的主控机构，数字温湿度传感器DHT11的DATA线与单片机的P3.0口相连，外接一个5k的上拉电阻；DS18B20的DQ管脚为数据线接到AT89C51的P2.0口上，外接一个4.7K的上拉电阻，使数据线在空闲状态下能自动上拉为高电平；将HS1101置于555振荡电路中，把电容值的变化转换成电压频率信号，555OUT可以直接与微处理器P1.3口连接采集信号；用单片机的P1.0口和P1.1口模拟I2C的时钟线SCL和数据线SDA。本系统下位机选用电机驱动芯片ULN 2003来驱动步进电机，用单片机AT89C51的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别控制步进电机的四相。通过I/O口控制继电器的开闭，从而控制通风机、加热器、天窗和侧窗、淋水泵、光照调节和CO2释放机等执行机构的开闭。
无线传输模块通过下位机实现，利用ZigBee技术并采用CC2530芯片来负责数据的接收和发送任务，无线传感器节点部署在温室监测的各个区域，通过ZigBee协议自动组网，完成末端空气温度与湿度、土壤温度与湿度，光照强度，二氧化碳浓度实时数据的采集，并将定时采集的温室环境数据传递给单片机AT89C51。
如图6所示，模糊PID是在PID算法的基础上，采用二输入三输出的形式，输入量为当前系统误差e和误差变化率ec，经过模糊控制器的处理得到相应的三个输出变量为PID控制器的三个参数P、I、D的修正ΔKp、ΔKi、ΔKd。它的核心部分为模糊控制器，主要基于以下三个概念：测量信息的模糊化、推理机制和输出模糊集的精确化。得到了精确的数字控制量后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制。然后进行第二步控制，这样循环下去，就实现了被控对象的模糊PID控制。
系统运行中如果某个参数与预设值参数不同，则会启动执行机构模块。如：通风机、天窗和侧窗主要是加速空气流通，降低温度、提高湿度，当温湿度传感器检测到温度高于设定值时或者湿度低于设定值时，开启天窗和侧窗对温室环境进行降温、加湿。加热器主要是用来调节湿度过大和温度较低，当温湿度传感器检测到的空气湿度高于设定值时或温度低于设定值时，开启加热器对空气进行加热。淋水泵主要是调节土壤湿度，土壤湿度传感器检测到土壤湿度低于设定值时，淋水泵给土壤进行补水工作。光照调节主要是调节温室光照强度，当光照强度传感器检测到温室光照低于设定值时，开启光照调节装置对温室光照进行补偿。CO2发生器用于当CO2传感器检测到CO2浓度低于预设定值时，发生器则会开启，增加CO2的浓度。根据温室系统控制要求，单片机系统程序主要完成手动/自动控制的任意切换，在手动控制程序部分，温室控制系统不受环境因子的影响，可根据需要完全实行手动控制；而在自动控制阶段，可根据系统采集的信号进行比较，进行完全的自动控制，并不断的循环执行。这样就使得整个系统智能化程度大大提高，逐步实现智能化管理。
本发明的有益效果主要表现在：本发明提供的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，能够将温室中的环境信息通过传感器、无线网络和RS-485总线技术传输给上位机实现自动监测，上位机根据设备预设信息和模糊PID技术进行智能化远程调控温室环境。该系统具有较强的鲁棒性和适应性能力、组网灵活、可扩展性强、人机界面友好，可实现对温室环境参数的智能化管理，减少了相关的人力资源，节约了成本投入，提高了温室植物的质量和产量，能较好地满足温室环境监测的系统设计和实际应用需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和原则的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：包括上位机模块和下位机模块，下位机由主控制器模块、传感器模块、各执行机构模块、无线通信模块构成；上位机由智能控制模块和监控模块构成；
所述传感器模块、各执行机构模块与主控制器模块(从机)连接；
所述主控制器模块(从机)通过无线通信模块与主控制器模块(主机)连接；
所述主控制器模块(主机)通过RS-485总线技术与上位机模块(PC)连接；
所述智能控制模块通过模糊PID控制技术将输入变量模糊化，并将推理后的模糊量转换为精确量输出，将精确量作为温室的控制量通过RS-485输出到执行机构模块；
所述监控模块可以实现系统设置、数据采集与显示、历史数据查询与输出、趋势曲线、设备状态与报警和远程控制。
2.如权利要求1所述的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：所述主控制器(主、从机)采用AT89C51单片机；所述无线传感网络采用ZigBee网络CC2530射频模块。
3.如权利要求1所述的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：所述的传感器包括空气温度与湿度传感器、土壤温度与湿度传感器，光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器；
(1)所述的空气温度与湿度传感器采用数字温湿度复合传感器DHT11，用于测量大棚温室里的温度、湿度。
(2)所述的土壤温度与湿度传感器分别采用DS18B20和HS1101电容式湿度传感器，用于测量大棚温室里的土壤温度与湿度。
(3)所述的光照强度传感器采用TSL235光频转换器,用于测量大棚温室里的光照强度。
(4)所述的二氧化碳浓度传感器采用NDIR技术二氧化碳传感器模块S-100，用于实时监测大棚温室里的二氧化碳浓度。
4.如权利要求1所述的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：所述的执行机构模块包括通风机、加热器、电动机开窗、喷淋水泵、光照调节、二氧化碳施放机构。
5.如权利要求1所述的一种基于模糊PID的智能温室控制系统，其特征在于：所述智能控制模块的输入量为当前系统误差e和误差变化率ec，经过模糊PID控制器的处理得到相应的三个输出变量为PID控制器的三个参数P、I、D的修正ΔKp、ΔKi、ΔKd，模糊推理与解模糊化单元将模糊量转换为精确量，该精确量为各执行机构的控制信号。
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